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碲镉汞焦平面阵列光电转换的信号电流通过铟栅阵列传输到读出集成电路进行预处理,单像元p-n结耦合匹配的读出电路结构有多种形式,常用的直接注入(DI)和电容反馈跨阻抗放大器(CTIA)具有结构简单、偏置稳定、注入效率高、低噪声等特点。虽然这些电路结构形式不同,一般都是运用光生信号电流(包括暗电流)在电容上积分实现电流电压的转换,因此输出信号电压的数学模型为[19]:
式中:ig(λ)为像元接收红外辐射光子经过光电效应转换产生的光电流;Idark(V,λ,T) 为材料、器件工艺决定的暗电流;V、T为像元p-n结的偏置电压和工作温度;λ为接收辐射的波长;G为源跟随器、列缓冲器和输出缓冲器增益G1、G2、G3的乘积;Cint为积分电容;Tint为积分时间;Vref为运算放大器正向输入端的参考电压;VN为像元的输出噪声;VZ为封装信号传输阻抗产生的压降。
像元信号电压随积分时间变化的斜率跟像元的有效量子效率、吸收系数、光敏面积、暗电流、积分电容及电路增益有关。由公式(1)可知,对于正向输出白热的红外焦平面阵列组件。当异常像元与正常像元电流差小于0时,输出信号电压小于正常值,像元电流增大;当异常像元与正常像元电流差大于0,输出信号电压大于正常值,像元电流减小。
用接收黑体温度293 K、308 K条件下辐照功率的输出信号电压作像元响应直线如图3所示。理想的碲镉汞焦平面阵列,接收均匀辐照输出幅度完全一样的信号电压,它的响应曲线重叠为一条曲线。那些偏离理想曲线的异常曲线,它们的斜率、截距不同于正常值。有10种类型的异常响应曲线:斜率大于零、小于或大于正常值,斜率等于零、截距小于或大于正常值,斜率小于零、截距小于或大于零,斜率趋于或等于正常值、截距小于或大于正常值。
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中波或长波320×256探测器杜瓦制冷机组件性能评价测试数据可视化如图4、图5所示。按超出信号电压±7.5% (A、B)、响应电压±30% (C、C′)、噪声电压±2×(D、D′)、NETD±2×(E)平均值甄别无效像元。如图4(a)所示,无效像元的输出信号电压具有如下特性:
(1)信号电压大于正常值的无效像元,它的噪声电压大于正常值;
(2)信号电压小于正常值的无效像元,它的噪声电压小于正常值;
(3)只有响应率超出规定阈值的无效像元,绝大多数的信号电压大于正常值;
(4)信号电压大于正常值,绝大多数是仅有响应率超出规定阈值的无效像元,这类像元在热图像中表现为过亮点;
(5)信号电压小于正常值,绝大多数是噪声电压和响应率都超出规定阈值的无效像元,反之不一定成立,这类像元在热图像中表现为过暗点。
运用箱线图直观地识别出性能评价数据中的正常值和异常值,离群值用红色“+”标记,如图4(b)所示。像元信号电压、响应电压的正常值集中在上边缘一侧,分布呈现左偏态;响应电压异常值集中在下边缘一侧。像元噪声电压、NETD正常值集中在下边缘一侧,分布呈现右偏态;像元噪声电压、NETD异常值集中在上边缘一侧。在虚线之外明显小于或大于正常值的极端异常值,以及异常小值或异常大值都是无效像元。无效像元的像元信号电压、噪声电压明显小于或大于正常值,响应电压、NETD小于或等于0的像元都是无效像元,响应电压、NETD明显大于正常值的像元也是无效像元。图4(a)、图4(c)直观地可视化了无效像元剔除的效果,其中C′、D′、E′ 是响应电压超出±30%平均值、噪声电压大于2×平均值、NETD大于2×平均值甄别的无效像元。由此可见,任何单一判断筛选标准都不能有效地甄别出全部无效像元。
图5是297 K黑体温度下的像元信号电压VDN20、响应电压VS、噪声电压VN和NETD绘制的四维散点图,有助于直观了解它们之间的相依关系,分析有效像元或无效像元的性能参数及分布特性。
在人眼的视网膜中,视细胞的响应存在±10%的差异,人眼的阈值对比度(临界对比度) 2%~5%[20]。因此,超出±(6%~7.5%)正常值输出的像元很容易被人眼识别区分出亮或暗。过亮点有响应、输出远大于正常值,过暗点没有响应、输出远小于正常值。亮点或暗点有响应、输出随入辐射的变化而变化,相较于正常像元有明显差异,表现为响应太大或太小,它们的输出明显大于或小于正常像元。
测量不同黑体温度条件下的输出信号电压,黑体温度推荐从−45 ℃到+55 ℃变化,间隔不同温度测量点不少于5点,用超出±(6%~7.5%)平均值剔除无效像元最直接有效,仅297 K、302 K两个温度点信号电压剔除的无效像元就接近响应电压超出±30%平均值的剔除效果。性能评价测试数据用A∪B∪C∪D∪E=F标准处理,甄别剔除的无效像元数大于常规C’∪D’∪E’=F’方法。无效像元最有效的单一判断标准是NETD超出±2×平均值(或大于2×平均值(E’),<0)。
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典型无效像元如图6。蓝色响应直线的像元是初始无效像元与使用无效像元重叠的无效像元。实线像元的信号电压和噪声电压小、响应电压为0,热图中恒定显示为过暗点(图1(b));虚线恒定过热像元初始为信号电压和噪声电压大、响应电压大的亮点,使用退化为信号电压大、噪声电压小、响应电压为0的过亮点)。绿色响应直线的像元是热应力导致位错引起的新增使用无效像元,像元信号电压大、噪声电压小,响应电压为0 (图1(b))。红色响应直线的像元是热应力导致位错引起的新增使用无效像元,响应直线呈水平状的像元信号电压大、噪声电压小,响应电压为0,p-n结短路损坏,而另两个像元的信号电压大、噪声电压大,响应电压不为0 ;青色响应直线的像元是新增使用无效像元,像元信号电压大、噪声电压小,响应电压为0。品红虚线的像元是初始无效像元,它的铟栅阵列没有连通,像元信号电压、噪声电压小,响应电压为0 ;品红实线的像元是使用无效像元,它的铟栅阵列没有连通,像元信号电压、噪声电压小,响应电压为0;黑色响应直线的像元是热应力导致位错引起的初始无效像元,过热无效像元的信号电压大、噪声电压小,响应电压大。
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由15只中波320×256探测器杜瓦制冷机组件293 K、308 K输出信号电压绘制的无效像元响应直线,如图7所示。第1、2行为出厂时检测得到的无效像元,第3、4行为返厂时检测得到的无效像元。其中,第2、4行是出厂时与返厂时检测得到的无效像元的交集,即恒定不变的初始无效像元。
Figure 7. Visual response line of initial non-effective pixels and using non-effective pixels and their intersection
表1给出15只组件出厂(F1)、返厂(F2)由A∪B∪C∪D∪E标准确认的无效像元实测数据。在使用过程中,平均有57%的初始无效像元转变为有效像元,这部分新的有效像元在热像仪从新校正前,仍然表现为暗点或亮点;返厂时,平均有72%的无效像元是新增使用无效像元。所以,在热像仪从新校正前,使用过程中的表观无效像元,包括转变为有效像元的初始无效像元、恒定不变的初始无效像元和新增的使用无效像元,平均有86.45%的表观无效像元属于不稳定的闪元和漂移像元。平均表观有效像元率相对于初始有效像元率减小1.07个百分点为98.41%。初始过热像元平均占无效像元的比例为65%,使用过热像元平均占无效像元的比例为44%。过热像元占比减小,显示存在系统性缺陷,使得像元的响应直线呈水平状。因为,经历开关机高低温度循环,以及振动、冲击和过饱和辐照等环境应力作用,导致潜在制造缺陷被激发,引起无效像元的类型、分布偏离初始状态。
S201 S418 S510 S528 S535 S099 S224 S291 S403 S406 S501 S520 S522 S701 S015 Mean F1 non-effective pixels 128 109 34 465 98 974 399 105 207 340 100 245 277 112 13 240 D'/F1 over hot pixels ratio/% 64 70 68 50 23 72 75 68 85 48 73 74 67 63 38 65 (F1-F1∩F2)/F1/% 78.13 99.08 61.76 53.55 61.22 83.26 53.88 30.48 43.96 54.71 32.00 58.37 65.34 32.14 53.85 57.45 ${\rm{F}}2$ non-effective pixels 768 541 207 3173 2652 1634 1472 165 618 1527 157 1412 1317 157 26 1055 D′/F2 over hot pixels ratio/% 63 33 11 28 58 43 38 43 60 36 79 47 33 75 12 44 ${{\left( {{\rm{F}}2 - {\rm{F}}1 \cap {\rm{F}}2} \right)}/ {{\rm{F}}1}} \cup {\rm{F}}2$/% 85.25 83.20 85.09 86.41 96.39 60.16 76.35 46.70 70.80 80.15 47.09 84.24 81.51 41.97 60.61 72.40 (F1∩F2) 28 1 13 216 38 163 184 73 116 154 68 102 96 76 6 89 $\dfrac{ {{\rm{F}}1 + {\rm{F}}2 - 2\left( {{\rm{F}}1 \cap {\rm{F}}2} \right)} }{ {{\rm{F}}1 \cup {\rm{F}}2} }$/% 96.77 99.85 94.30 93.69 98.60 93.33 89.09 62.94 83.64 91.01 64.02 93.44 93.59 60.62 81.82 86.45 Up time/y 4.04 3.66 2.59 1.47 3.45 2.66 2.51 1.04 2.51 2.48 0.13 2.50 2.50 0.02 2.05 2.24 Table 1. Number of non-effective pixels of test results in the factory and returned factory confirmed by A∪B∪C∪D∪E standards
由图7、表1可知,过热像元在无效像元里的比例较大,而且大多数过热像元与有效像元响应直线的斜率相差不多,信号电压随时间的变化而变化,在热图像中表现为闪烁或跳变点。使用后有7只组件响应直线的斜率趋近于0、等于0和小于0,且输出信号电压(响应直线截距)明显大于或小于正常值的过热像元或死像元增多。15只组件平均能用时间2.24年,过热像元的数量以平均每年289个的速率递增,死像元的数量以平均每年223个的速率递增,无效像元的数量以平均每年525个的速率递增。作为比较,国外太空望远镜,使用4.5年长波HgCdTe焦平面阵列中过热像元的数量以每年60个的速率递增,使用1.5年中波HgCdTe焦平面阵列出现大量暗电流偏大的像元,暗电流从原来的小于0.01 e−s−1增大为0.1 e−1s−1~60 e−s−1[19]。
Characteristics and causes of non-effective pixels of HgCdTe FPA
doi: 10.3788/IRLA20200202
- Received Date: 2020-05-30
- Rev Recd Date: 2020-07-08
- Available Online: 2021-02-07
- Publish Date: 2021-02-07
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Key words:
- physics of failure /
- failure analysis /
- IRFPA /
- blind pixel /
- reliability
Abstract: The reduced trend of operable pixel factor of medium wave or long wave infrared focal plane array must be resulted from some failure mechanism caused by manufacturing process defects, specific working stress or environmental stress. Mathematical model based on the output signal voltage of infrared detector, through the analysis of signal transmission and the statistical analysis of performance evaluation test data, visualization means such as statistical graphs, response curves and output signal voltage grayscale were used to visually express non-effective pixel characteristics, such as the types, number, locations, distribution, and output signal voltage, noise voltage, response voltage. Statistical analysis shows that the average apparent operable pixel factor is reduced by 1.07 percentage points relative to the initial operable pixel factor during use of the medium wave 320×250 detector Dewar cooler assembly of pixel pitch 15 μm, 86.45% of apparent non-effective pixels are unstable flickering pixels and drifting pixels on average. Design and manufacturing defects cause the response line of non-effective pixels to be horizontal, and the response voltage tends to 0. The thermal adaptation stress is the reason for non-effective pixel clusters of linear. A method was proposed to screen and identify non-effective pixels based on the criterion that the pixel signal voltage exceeded the average value of ±(6%~7.5%) under different blackbody temperatures.